冀宏,陸海嬌,何琪功,趙曉峰
(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅蘭州730050;2.蘭州蘭石重工有限公司,甘肅蘭州730050)
鍛造操作機是實現(xiàn)鍛造自動化的重要設(shè)備之一,它的主要任務(wù)是在鍛造過程中夾持和操縱鍛件,配合鍛造機進行鍛造工作,操作機具備行走、夾鉗開閉、旋轉(zhuǎn)、提升、平移和緩沖等多種功能,上述功能主要由液壓驅(qū)動方式來實現(xiàn)。提升俯仰系統(tǒng)是操作機的主要液壓系統(tǒng)之一[1]。
鍛造操作機的靈巧性是保證鍛件質(zhì)量的重要指標,而大型操作機的大負載、大慣量和沖擊載荷對傳動系統(tǒng)的準確平穩(wěn)定位帶來一定困難。本文作者針對鍛造操作機提升俯仰系統(tǒng)平升缸平降動作停止時下滑問題進行仿真與分析,最終找到原因,并提出改進方法。
提升俯仰系統(tǒng)的兩個前提升缸實現(xiàn)提升,稱為平升平降機構(gòu),兩個后提升缸實現(xiàn)俯仰,稱為傾斜機構(gòu)。圖1為提升俯仰液壓系統(tǒng)原理圖,溢流閥2調(diào)定工作壓力,電液換向閥3、14在左位時,液控單向閥4、13正向?qū)?,油缸上?電液換向閥在右位時,液控單向閥反向?qū)?,油缸下?電液換向閥在中位時,液控單向閥鎖緊回路。單向調(diào)速閥5、12調(diào)節(jié)油缸下降速度,溢流閥6、11起安全閥作用,防止系統(tǒng)過載。若截止閥10打開,蓄能器9在油缸下降時充液,減輕液壓沖擊,油缸上升時排液,加快油缸上升速度。
該系統(tǒng)在實際工作中出現(xiàn)如下問題:換向閥14從右位換至中位時,平升缸8平降動作不能即時停止,而是繼續(xù)下滑一段距離 (約10 mm)后停止。
圖1 提升俯仰液壓系統(tǒng)原理圖
液壓回路中,液壓泵、溢流閥、換向閥、調(diào)速閥、液壓缸、油箱等元件可以從AMESim液壓元件庫中直接選取。而此系統(tǒng)選用的液控單向閥是Atos的AGRL-32,在該軟件中找不到直接模型,為了保證仿真的精度和可靠性,需要利用AMESim的HCD庫和Mechanical庫,根據(jù)元件的實際結(jié)構(gòu)和工作原理自行搭建。液控單向閥的結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 液控單向閥結(jié)構(gòu)圖和圖形符號
該閥是帶有卸荷小閥芯的液控單向閥,且為內(nèi)泄式 (即Y口與A口相通)。錐閥式主閥芯5上開有1個傾斜小孔和4個徑向小孔,傾斜小孔由錐閥式卸荷小閥芯1封閉。當控制口X沒有通入控制壓力油時,它具有普通單向閥的功能,即油液從A口流向B口,為液控單向閥的正向流動;當控制口X中通入控制壓力油時,控制壓力油將活塞9向左頂起,活塞通過頂桿7首先將卸荷小閥芯向左頂起,使主閥芯彈簧腔高壓油瞬時釋壓,然后,主閥芯被頂桿頂開,實現(xiàn)油液從B口到A口的反向流動。
依據(jù)液控單向閥的工作原理,建立液控單向閥AMESim仿真模型,如圖3所示。主閥芯2是小閥芯4的閥套,頂桿8與活塞9視為剛性連接。閥芯位移0~10 mm,活塞位移0~12 mm,位移向左為負。頂桿端面與小閥芯有2 mm間隙,與主閥芯有4 mm間隙。通過位移傳感器7將頂桿位移信號采集并輸入到力函數(shù)5、6中,編輯分段函數(shù)f(x)。F5(x)、F6(x)分別用于表達頂桿與小閥芯、主閥芯之間的間隙。力函數(shù)描述如下:
式中:x為頂桿位移,mm;px為控制壓力,MPa;Ax為活塞面積,mm2。
圖3 液控單向閥AMESim仿真模型
系統(tǒng)建模時,進行了以下兩方面的簡化。
(1)該系統(tǒng)左右對稱,換向閥、液控單向閥、調(diào)速閥、溢流閥選型相同。傾斜缸運動正常,平升缸下滑,故只對平升平降回路建模。
(2)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象時,蓄能器關(guān)閉,故在系統(tǒng)建模中可將蓄能器省略。
進入AMESim環(huán)境,在Sketch模式下利用已建成的液控單向閥模型,結(jié)合液壓、機械、控制庫中的元件構(gòu)建如圖4所示平升平降回路仿真模型。
圖4 平升平降回路AMESim仿真模型
根據(jù)實際工況,確定系統(tǒng)仿真模型參數(shù),見表1。仿真模型中包含液控單向閥內(nèi)部及與之相連的各液容模塊,液容參數(shù)由液控單向閥結(jié)構(gòu)及連接管道尺寸計算確定,與液控單向閥連接的管道的動態(tài)效應(yīng)予以忽略[2]。
表1 模型中主要元件結(jié)構(gòu)參數(shù)
選擇電液換向閥的換向信號作為系統(tǒng)動態(tài)過程的輸入信號,換向時間為0.08 s。為了方便分析仿真結(jié)果,特設(shè)定換向過程如圖5所示。仿真時間25 s,步長0.001 s,運行AMESim仿真模型,獲得各相關(guān)數(shù)據(jù)。
圖5 換向閥換向過程
改變活塞復位彈簧的預(yù)緊力對油缸下滑現(xiàn)象無明顯影響,故改變其彈簧剛度。圖6為活塞復位彈簧取不同剛度時油缸位移曲線,此時預(yù)緊力取10 N,彈簧剛度分別取2、4、10 N/mm。
圖6 不同彈簧剛度時油缸位移曲線
由圖6(a)知,在20.32 s換向閥換至中位時,油缸位移沒有即時停止,存在明顯下滑現(xiàn)象,且彈簧剛度越小,油缸停止越滯后。由圖6(b)知,當彈簧剛度為2 N/mm時,油缸0.5 s下滑9 mm;當彈簧剛度為4 N/mm時,油缸0.2 s下滑4 mm;當彈簧剛度為10 N/mm時,油缸0.1 s下滑1 mm。
油缸下降、停止動作由液控單向閥反向開啟和關(guān)閉過程來實現(xiàn)。液控單向閥關(guān)閉時主要靠彈簧力復位[3]。當閥芯或活塞復位彈簧預(yù)緊力一定,彈簧剛度偏小時,則彈簧力偏小,閥芯或活塞復位加速度小,致使閥口不能即時關(guān)閉,使油缸繼續(xù)下滑,直到錐閥完全關(guān)閉油缸才能停止。圖7為活塞復位彈簧剛度為2 N/mm時閥芯和活塞位移曲線,以此說明閥芯的瞬態(tài)運動特性。
圖7 活塞彈簧剛度取2 N/mm時的閥芯瞬態(tài)運動特性曲線
(1)液控單向閥正向啟閉
當t=0.08 s時,單向閥開啟,圖7(a)中小閥芯和主閥芯位移曲線重合,說明兩閥芯位移同步,原因是主閥芯充當小閥芯的閥套,當主閥芯被高壓油頂起時帶動小閥芯后移。此時活塞位移為0。
當t=5.16 s時,單向閥關(guān)閉,圖7(a)中小閥芯與主閥芯位移曲線無滯后,均能立即復位,此時閥芯靠彈簧力復位,說明閥芯復位彈簧的彈簧剛度滿足要求,閥芯關(guān)閉即時可靠。此時活塞位移為0。
(2)液控單向閥反向啟閉
當t=10.16 s時,單向閥應(yīng)開啟,圖7(b)中小閥芯10.172 s打開,主閥芯10.176 s打開。由于頂桿與兩閥芯之間存在間隙,當活塞左移時,頂桿位移在-2 mm時觸碰小閥芯,小閥芯先打開;位移在-4 mm時觸碰主閥芯,主閥芯后打開。
當t=20.32 s時,單向閥應(yīng)關(guān)閉,圖7(c)中主閥芯20.533 s關(guān)閉,小閥芯20.844 s關(guān)閉,活塞復位緩慢,活塞位移在20.9 s后趨于停止,且沒有回到初始位置。由此可見,控制活塞復位彈簧剛度偏小,使其復位緩慢,且不能回到原位,給閥芯復位造成一定阻力,致使閥芯緩慢閉合。閥芯的滯留時間近似等于油缸下滑時間,正是由于閥芯不能即時關(guān)閉導致油缸下滑。
液控單向閥其他參數(shù)不變,增大活塞復位彈簧的剛度,即增大其復位力,取彈簧剛度為15 N/mm,油缸位移曲線見圖8。
圖8 活塞彈簧剛度取15 N/mm時油缸位移曲線
由圖8(a)知,油缸位移在20.32 s后即時停止,無明顯下滑現(xiàn)象。由圖8(b)知,20.37 s油缸停止,0.05 s下滑0.5 mm,由此可見,增大液控單向閥內(nèi)活塞復位彈簧的剛度能有效改善油缸下滑現(xiàn)象。
圖9為活塞復位彈簧剛度為15 N/mm時閥芯瞬態(tài)運動特性。
(1)液控單向閥正向啟閉
當t=0.08 s和t=5.16 s時,圖9(a)中主閥芯和小閥芯的位移曲線重合,且位移無滯后,說明閥芯正向啟閉特性良好。此時活塞位移為0。
(2)液控單向閥反向啟閉
當t=10.16 s時,圖9(b)中小閥芯10.172 s打開,主閥芯10.178 s打開,與圖7(b)相比,此時主閥芯開啟時間慢了0.002 s,這是由于增大活塞的彈簧剛度對活塞左移增加了阻力。
圖9 活塞彈簧剛度取15 N/mm時的閥芯瞬態(tài)運動特性曲線
當t=20.32 s時,圖9(c)中主閥芯20.35 s關(guān)閉,小閥芯20.37 s關(guān)閉了,活塞20.4 s復位。與圖7(c)相比,閥芯和活塞的復位時間大力縮短。主閥芯的位移曲線呈兩段式變化,第一段位移斜率較大,是由于受到兩個閥芯復位彈簧的并聯(lián)作用,速度較快;第二段位移斜率變小,此時主閥芯復位只受到其自身復位彈簧的作用,速度變慢。
由此可見,增大液控單向閥中活塞復位彈簧剛度,可使活塞復位加快,從而使閥芯即時復位,可靠關(guān)閉,改善油缸下滑現(xiàn)象。
通過對操作機提升俯仰液壓系統(tǒng)及液控單向閥進行AMESim建模與仿真,揭示了油缸下滑原因并提出改進方法。平升缸下滑問題是由于換向閥回至中位時,液控單向閥未即時關(guān)閉所致。內(nèi)部原因是液控單向閥內(nèi)的控制活塞復位彈簧剛度小,使得活塞復位緩慢,給閥芯復位造成一定阻力,使閥芯關(guān)閉滯后。因此,通過增大液控單向閥控制活塞復位彈簧剛度,使活塞能迅速復位,閥芯即時關(guān)閉。此方法能有效地改善油缸下滑現(xiàn)象。
【1】傅新,徐明,王偉,等.鍛造操作機液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工程學報,2010,46(11):49 -54.
【2】冀宏,梁宏喜,胡啟輝.基于AMESim的螺紋插裝式平衡閥動態(tài)特性的分析[J].液壓與氣動,2011(10):80-83.
【3】王文深,張紀梁.平衡回路中液控單向閥反向開啟控制壓力的計算及分析{J}.機床與液壓,2003(8):63-64.
【4】GE Hao,GAO Feng.Type Design for Heavy-payload Forging Manipulators[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2011,24(6):1 -9.